高曉光，李小軍，唐戢群

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴陽(yáng) 550002)

?

水電機(jī)組一次調(diào)頻性能優(yōu)化研究

高曉光，李小軍，唐戢群

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴陽(yáng) 550002)

為滿足電網(wǎng)對(duì)水電機(jī)組一次調(diào)頻的要求，對(duì)水電機(jī)組一次調(diào)頻典型問(wèn)題及影響因素進(jìn)行了分析。提出了一種水電機(jī)組一次調(diào)頻性能的優(yōu)化方法，詳細(xì)分析了水輪機(jī)調(diào)速器開(kāi)度控制模式和功率控制模式下的PID參數(shù)優(yōu)化方法，提出根據(jù)偏差變化自行調(diào)整PID參數(shù)大小，并改變一次調(diào)頻計(jì)算死區(qū)，同時(shí)針對(duì)一次調(diào)頻和AGC協(xié)調(diào)控制策略提出了合理建議。研究結(jié)果表明：以功率調(diào)節(jié)作為優(yōu)先控制模式，可保證一次調(diào)頻與AGC的有機(jī)統(tǒng)一；通過(guò)調(diào)速系統(tǒng)硬件改造及內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)，可完成一次調(diào)頻性能優(yōu)化和改進(jìn)。經(jīng)600 MW水電機(jī)組實(shí)際工程驗(yàn)證，一次調(diào)頻性能得到改善，對(duì)水電機(jī)組一次調(diào)頻性能優(yōu)化有一定的借鑒意義。

水電機(jī)組；調(diào)速系統(tǒng)；一次調(diào)頻；功率模式；調(diào)節(jié)深度

水電機(jī)組由于具有寬廣的調(diào)節(jié)范圍及較好的調(diào)節(jié)速度，開(kāi)、停機(jī)、負(fù)荷增減過(guò)程較快，控制靈活，多在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻的任務(wù)。水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，特別是一次調(diào)頻性能，直接影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。水電機(jī)組的調(diào)節(jié)特性比較復(fù)雜、個(gè)性突出，影響因素較多，諸如PID(proportional-integral-derivative)調(diào)節(jié)參數(shù)適應(yīng)性、因有壓過(guò)水系統(tǒng)的水擊現(xiàn)象引起的功率反調(diào)、因水輪機(jī)特性曲線差異造成的開(kāi)度-功率曲線非線性等問(wèn)題。因此，水電機(jī)組一次調(diào)頻特性優(yōu)化應(yīng)充分考慮水輪機(jī)引水系統(tǒng)的多樣性、差異性、水力特性的復(fù)雜性、多變性及非最小相位特性[1]等。

1 水電機(jī)組一次調(diào)頻概述

水電機(jī)組一次調(diào)頻是指水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被控制對(duì)象(水電機(jī)組)在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行(大電網(wǎng)運(yùn)行)中，當(dāng)系統(tǒng)頻率變化超過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率(轉(zhuǎn)速)死區(qū)Ef時(shí)，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)將根據(jù)頻率靜態(tài)特性(調(diào)差特性)所固有的能力，按整定的調(diào)差率ep/永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp自行改變導(dǎo)葉開(kāi)度(或輪葉轉(zhuǎn)角或噴針/折向器開(kāi)度)，從而引起機(jī)組有功功率的變化，進(jìn)而影響電網(wǎng)頻率的調(diào)節(jié)行為[2]。水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器部分模型通常如圖1所示，電液隨動(dòng)系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖1 水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器模型Fig.1 PID regulator model of hydraulic turbine governing system

圖2 電液隨動(dòng)系統(tǒng)模型Fig.2 Electro-hydraulic servo system model

圖1中，開(kāi)度反饋及功率反饋僅對(duì)積分環(huán)節(jié)起作用；理論及實(shí)踐表明，此模型具有較好的動(dòng)態(tài)性能及較寬的穩(wěn)定域。圖1中：Cf表示頻率給定；f為機(jī)組頻率；Ey和Ep分別為人工開(kāi)度死區(qū)和人工功率死區(qū)；Cy表示開(kāi)度給定，在開(kāi)度調(diào)節(jié)模式時(shí)起作用；Cp(Pref)為功率給定，只在功率調(diào)節(jié)模式時(shí)起作用，根據(jù)調(diào)節(jié)模式不同，Cy和Cp(Pref)可相互切換；pin(PE)表示機(jī)組輸出功率；ygc為調(diào)節(jié)器對(duì)導(dǎo)葉隨動(dòng)系統(tǒng)的控制輸出；KP，KI，KD分別比例增益、積分增益、微分增益；T1v為微分衰減時(shí)間常數(shù)；INTmax和INTmin分別為積分運(yùn)算上限和積分運(yùn)算下限；Gf(s)為開(kāi)環(huán)增量環(huán)節(jié)，用以加快調(diào)節(jié)速度。圖2中，T為隨動(dòng)系統(tǒng)純延遲的時(shí)間；e-Ts為純延時(shí)環(huán)節(jié)；Ty1為主配壓閥反應(yīng)時(shí)間常數(shù)；Ty為接力器響應(yīng)時(shí)間常數(shù)；vmin和vmax分別為接力器最快關(guān)閉速度和接力器最快開(kāi)啟速度；ymax和ymin分別為接力器位移上限和接力器位移下限；yg為導(dǎo)葉接力器行程。

2 水電機(jī)組一次調(diào)頻性能優(yōu)化

水電機(jī)組一次調(diào)頻優(yōu)化要處理好以下幾個(gè)基本問(wèn)題：

(1) 響應(yīng)滯后時(shí)間及調(diào)節(jié)速度。

(2) 調(diào)節(jié)深度，即調(diào)節(jié)量。

(3) 一次調(diào)頻與AGC(Automation Generator Control)協(xié)調(diào)控制。

2.1 一次調(diào)頻響應(yīng)滯后時(shí)間及調(diào)節(jié)速度

響應(yīng)滯后時(shí)間及調(diào)節(jié)速度可以通過(guò)優(yōu)化PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)度模式下的PID控制參數(shù)的設(shè)置，應(yīng)選取較大的KP和KI值，KD值一般取0。其中，KP的設(shè)置以一次調(diào)頻頻率擾動(dòng)過(guò)程中一次調(diào)頻開(kāi)度響應(yīng)滯后時(shí)間在3.0 s以內(nèi)，且不出現(xiàn)較大的水壓變化和功率反調(diào)作為選取依據(jù)；KI的設(shè)置應(yīng)保證在不出現(xiàn)超調(diào)的情況下盡量取大值，以減小一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)時(shí)間。因開(kāi)度模式下設(shè)置KD對(duì)一次調(diào)頻響應(yīng)過(guò)程的影響非常小，且現(xiàn)行電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]及電網(wǎng)調(diào)度管理部門(mén)也規(guī)定，開(kāi)度控制模式下不設(shè)微分增益，因此，KD值設(shè)置為0。

在功率模式條件下，為同時(shí)保證功率模式下的PID調(diào)節(jié)速動(dòng)性和穩(wěn)定性，既滿足調(diào)速系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)上升時(shí)間、調(diào)節(jié)穩(wěn)定時(shí)間的要求，同時(shí)又要滿足穩(wěn)定性的要求，避免出現(xiàn)小負(fù)荷低頻振蕩，功率模式PID參數(shù)可采用以下2種設(shè)置形式。

(1) 對(duì)于大中型水輪發(fā)電機(jī)組，大計(jì)算偏差時(shí)，即當(dāng)機(jī)組功率目標(biāo)值與功率實(shí)發(fā)值的差值ΔP=Pref-PE=Cp-pin超出±10 MW ，采用較小PID參數(shù)；小計(jì)算偏差下，即當(dāng)機(jī)組功率目標(biāo)值與功率實(shí)發(fā)值的差值ΔP=Pref-PE=Cp-pin在±10MW以內(nèi)，采用較大PID參數(shù)。

對(duì)于小型水輪發(fā)電機(jī)組，ΔP可以取機(jī)組額定功率的5%～10%。

(2) 大小計(jì)算偏差均采用較小PID參數(shù)。對(duì)于條件(1)下的PID設(shè)置方式，為保證調(diào)節(jié)穩(wěn)定性，采用較小PID參數(shù)可有效控制調(diào)節(jié)速率，在小偏差條件下，因?yàn)橛?jì)算偏差過(guò)小，調(diào)節(jié)速度較慢，采用增加積分參數(shù)的辦法，加快調(diào)節(jié)趨于穩(wěn)定區(qū)間的速度。

對(duì)于條件(2)下的PID設(shè)置方式，可以有效保證調(diào)節(jié)過(guò)程的穩(wěn)定性，但調(diào)節(jié)時(shí)間較前者偏長(zhǎng)。

圖3 優(yōu)化前后的一次調(diào)頻靜態(tài)特性曲線(未考慮負(fù)荷限制幅度)Fig.3 Static performance curve of primary frequency regulation (PFR ) before and after optimization (without regard to power limit range)

2.2 一次調(diào)頻調(diào)節(jié)深度

調(diào)節(jié)深度則受到計(jì)算死區(qū)和永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)的影響。在實(shí)際工程中，一次調(diào)頻調(diào)節(jié)深度往往存在2個(gè)方面的問(wèn)題：

(1) 小頻率偏差范圍功率調(diào)節(jié)量不足。這是由于調(diào)節(jié)系統(tǒng)死區(qū)、傳感器測(cè)量誤差以及運(yùn)行水頭等因素疊加產(chǎn)生。

(2) 水輪機(jī)運(yùn)行水頭對(duì)一次調(diào)頻調(diào)節(jié)深度的影響較大，特別是運(yùn)行水頭變化范圍較大的機(jī)組，受綜合特性影響，在高水位時(shí)導(dǎo)葉動(dòng)作對(duì)出力影響較為敏感，但在低水位、高開(kāi)度時(shí)甚至出現(xiàn)導(dǎo)葉增加，出力不變的情況。

針對(duì)問(wèn)題(1)，有2種處理方式：一是采用較小的永態(tài)轉(zhuǎn)差率bp值，這樣可以使得相同頻差條件下，獲得更大的導(dǎo)葉開(kāi)度調(diào)節(jié)量，即功率調(diào)節(jié)量；這種補(bǔ)償方式，在補(bǔ)償小頻差調(diào)節(jié)量的同時(shí)，使得大頻差的調(diào)節(jié)量以比例方式放大，不利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。二是采用整體補(bǔ)償固定數(shù)值調(diào)節(jié)量，通過(guò)改變一次調(diào)頻計(jì)算死區(qū)的方式實(shí)現(xiàn)，或者通過(guò)調(diào)整頻差Δf與調(diào)節(jié)功率對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)組輸出功率和頻率關(guān)系的曲線稱為機(jī)組的功率-頻率靜態(tài)特性，可近似用直線來(lái)表示，如圖3所示[4]；這樣的改進(jìn)方式，僅反映在電網(wǎng)頻率出現(xiàn)小波動(dòng)的情況，在補(bǔ)償調(diào)節(jié)量的同時(shí)，不影響機(jī)組及電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)問(wèn)題(2)，可以采用調(diào)速器功率調(diào)節(jié)模式的實(shí)現(xiàn)來(lái)解決。水輪機(jī)運(yùn)行水頭對(duì)一次調(diào)頻產(chǎn)生影響，主要是由于調(diào)速器本身運(yùn)行在開(kāi)度模式。在開(kāi)度模式條件下，當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，調(diào)速器根據(jù)網(wǎng)頻與額定頻率產(chǎn)生的偏差計(jì)算導(dǎo)葉開(kāi)度目標(biāo)值，并執(zhí)行動(dòng)作。因此，開(kāi)度模式一次調(diào)頻的本質(zhì)是頻差→導(dǎo)葉開(kāi)度→有功功率的調(diào)節(jié)方式。導(dǎo)葉開(kāi)度→有功功率環(huán)節(jié)受到水輪機(jī)工作水頭的影響，因此，在開(kāi)度模式下，無(wú)法忽視水頭對(duì)一次調(diào)頻的影響。調(diào)速器功率模式采用頻差→有功功率→導(dǎo)葉開(kāi)度調(diào)節(jié)方式，可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題，但應(yīng)注意運(yùn)行參數(shù)的選擇，避免出現(xiàn)大的超調(diào)，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)控制

一次調(diào)頻與二次調(diào)頻(即AGC)的協(xié)調(diào)控制則應(yīng)以二次調(diào)頻優(yōu)先，但一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，二次調(diào)頻不應(yīng)施加干擾[5]。因此，在監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)速器程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)應(yīng)注意處理好二者之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。開(kāi)度模式下的一次、二次調(diào)頻協(xié)調(diào)關(guān)系處理由監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。功率模式下則由調(diào)速器自身實(shí)現(xiàn)，且往往表現(xiàn)為一次、二次調(diào)頻相互疊加，兩者有機(jī)統(tǒng)一。

3 工程驗(yàn)證

按照上述性能優(yōu)化方法，進(jìn)行某600 MW水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)軟硬件改造，并增設(shè)了功率調(diào)節(jié)模式，完成相關(guān)性能測(cè)試。由信號(hào)發(fā)生器模擬機(jī)組頻率50.10，49.90，50.15，49.85 Hz，并在35%及65%2個(gè)開(kāi)度下測(cè)試調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻性能，表1為優(yōu)化前后多次測(cè)量結(jié)果平均值的對(duì)照表。

表1 某600 MW水電機(jī)組一次調(diào)頻性能改進(jìn)情況(平均值)

由表1可以看出，經(jīng)優(yōu)化后開(kāi)度模式各項(xiàng)性能指標(biāo)有大幅提升，例如，通過(guò)PID參數(shù)的優(yōu)化，調(diào)節(jié)速度明顯加快，通過(guò)對(duì)頻率死區(qū)的計(jì)算補(bǔ)償，使功率調(diào)節(jié)幅度達(dá)到目標(biāo)值，但盡管如此，依舊無(wú)法忽略開(kāi)度-功率非線性因素的影響。而在功率模式下，因?yàn)榭紤]到調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不能過(guò)分追求調(diào)節(jié)速率，因此在參數(shù)設(shè)置上使用較小的PID控制參數(shù)，犧牲了部分速動(dòng)性能，但其調(diào)節(jié)量不受開(kāi)度-功率非線性的影響。功率模式一次調(diào)頻功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有很好的實(shí)際意義。

4 結(jié) 語(yǔ)

水頭因素對(duì)水電機(jī)組運(yùn)行特性的影響表現(xiàn)在多個(gè)方面，而對(duì)電網(wǎng)的直接影響即表現(xiàn)在一次調(diào)頻調(diào)節(jié)性能。功率模式的實(shí)現(xiàn)以及功率模式下的一次調(diào)頻可以很好地解決這一問(wèn)題，但應(yīng)充分考慮功率模式下PID參數(shù)的適應(yīng)性問(wèn)題。功率模式因其控制對(duì)象本身涵蓋了水頭因素，使其調(diào)節(jié)過(guò)程變得更加復(fù)雜，為保證功率模式下的穩(wěn)定運(yùn)行，犧牲部分速動(dòng)性是有必要的。而在開(kāi)度模式下，通過(guò)調(diào)節(jié)PID參數(shù)，優(yōu)化計(jì)算死區(qū)等控制參數(shù)，可以達(dá)到提高一次調(diào)頻性能的目的，但開(kāi)度模式始終存在水頭因素的局限性。因此，在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，可根據(jù)水電廠的具體情況來(lái)制定優(yōu)化方案，充分發(fā)揮水電機(jī)組一次調(diào)頻能力，這對(duì)抑制電網(wǎng)頻率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。

[1] 魏守平.水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻及孤立電網(wǎng)運(yùn)行特性分析及仿真[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2009,33(6):27-33.[2] 張建明，李 越.水電機(jī)組一次調(diào)頻若干問(wèn)題探討[C]∥中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)信息化專委會(huì)2007年學(xué)術(shù)交流會(huì)論文匯編.北京：中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)，2007:444-449.

[3] DL/T1245—2013，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則[S].北京：中國(guó)電力出版社，2013.

[4] 李陽(yáng)坡，龍 云，王 堅(jiān).南方電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻性能評(píng)價(jià)方法分析與改進(jìn)[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2010,4(增1):28-31.

[5] 何常勝，董鴻魁 翟 鵬.水電機(jī)組一次調(diào)頻與 AGC 典型控制策略的工程分析及優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,(3):146-151.

(編輯：陳 敏)

Optimization of Primary Frequency Control Performanceof Hydropower Unit

GAO Xiao-guang, LI Xiao-jun, TANG Ji-qun

(Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co. Ltd., Guiyang 550002,China)

In order to meet power grid’s requirement of primary frequency regulation(PFR) of hydropower unit, we analyze the typical problems and influencing factors of PFR, and present a method of optimizing the PFR performance of hydropower unit. The method of optimizing PID parameters of hydraulic turbine governor is analyzed in detail. We propose to adjust the PID parameters according to the range of the deviation, and to change the dead band of the PFR calculation. Furthermore, we put forward some suggestions for PFR and AGC(Automation generator control) coordination control. Power regulation mode used as a priority control mode could guarantee the coordination between PFR and AGC. Through hardware modification and internal program of governor, the PFR performance is optimized and improved. The method is applied to a hydropower unit of 600MW for verification, and the result suggests that the PFR performance is improved.

hydropower unit; governing system; primary frequency control/regulation(PFR)；power control mode；regulating amplitude

2015-08-31；俢回日期：2015-09-29

高曉光(1981-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，工程師，碩士，主要從事水電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)相關(guān)試驗(yàn)及科研工作，(電話)0851-85592798(電子信箱)gxgemail@163.com。

10.11988/ckyyb.20150726

2016,33(10):145-148

TK730.4

A

1001-5485(2016)10-0145-04